Мультивибратор с одним времязадающим конденсатором

Цель работы: изучение работы мультивибраторов на двух либо на трех инверторах – логических элементах серии КМОП или ТТЛ.

 

Мультивибратор является релаксационным автогенератором, обычно имеющим два квазиравновесных состояния. В течение квазиравновесной стадии в схеме идет относительно медленный процесс перезарядки конденсаторов, который в конечном итоге приведет к появлению скачка токов (напряжений), и схема переходит в другое квазиустойчивое состояние и т.д. Мультивибратор с одним времязадающим конденсатором наиболее часто строят на основе двух или трех инверторов, для чего у логических элементов (ЛЭ) И‑НЕ или ИЛИ‑НЕ все входы объединяют. Входы, оставшиеся свободными, могут быть использованы для управления автогенератором для включения или выключения его. Наиболее характерные схемы представлены на рис.4.1.

Рис. 4.1. Схема мультивибратора на трех ЛЭ (а) и на двух ЛЭ (б)

 

Мультивибраторы (MB) данных конфигураций могут быть построенными как на ЛЭ КМОП-, так и на ЛЭ ТТЛ-серий. Если входные токи в КМОП пренебрежимо малы, то в схемах ТТЛ ими пренебрегать нельзя: это накладывает определенные ограничения и особенности, о чем будет сказано ниже (см."Приложение").

Для упрощения анализа рассмотрим схему MB на трех ЛЭКМОП (рис. 4.1, а). Для возникновения в схеме MB скачков тока (напряжения) необходимо, чтобы в определенный момент времени оба инвертора D 1 и D 2 одновременно находились в активной области характеристик и возникала положительная обратная связь. Это достигается путем охвата инверторов D 1 и D 2 обратной связью с помощью конденсатора C. Резистор R, включенный между входом D 1 и выходом D З, служит для вывода инверторов в активную область характеристик. Инвертор D З служит для переключения уровня напряжения, до которого должен перезарядиться конденсатор C.

Условие возникновения положительной обратной связи легко определить из совместного анализа (рис.4.2) передаточных характеристик инверторов D 1 и D 2. При этом необходимо считать, что оба ЛЭ должны находиться в области активных характеристик, и емкость C ведет себя как короткозамкнутый элемент в момент скачка тока. Из анализа рис.4.2 следует, что такой режим возможен для КМОП в узком диапазоне напряжений U _вх1= U _вх2= U *@ E _пит /2.

Рассмотрим характерные моменты работы MB (рис. 4.3). Пусть в исходном состоянии потенциал на входе ЛЭ D 1 имеет низкое значение U _вх⁰= – 0,7 В (рис.4.3, в). В этом случае на выходе инвертора D 1 формируется высокий потенциал U _вых1= U ¹, на выходе инвертора D 2 – низкий потенциал U _вых2= U ⁰, на выходе ЛЭ D З – высокий потенциал U ¹.

 

Рис. 4.3. Путь тока I в процессе заряда конденсатора C при формировании периодов T 1 (а), T 2 (б), осциллограммы в характерных точках (в)

 

Емкость C начинает перезаряжаться током I, протекающим через резистор R и выходы ЛЭ D 1 и D 2 в соответствии со схемой (рис.4.3, а). Нахождение MB в данном квазиравновесном состоянии определяется временем T ₁, необходимым для достижения напряжения U * на входе ЛЭ D 1 в соответствии с переходным процессом (рис. 4.3, в).

,

где .

При достижении U _вх1= U * в схеме возникает положительная обратная связь, приводящая к скачку – "опрокидыванию" MB. Процесс опрокидывания очень короткий, и его длительность учитывать не будем. Положительный скачок напряжения D U _вых2 с выхода ЛЭ D 2 через емкость C будет передан на вход ЛЭ D 1 и создаст потенциал U _вх1¹ = E _пит + U_D. В результате на выходе D 1 формируется уровень низкого потенциала, на выходе D 2 - высокого, на выходе D З – низкий потенциал. Конденсатор C теперь будет перезаряжаться в соответствии со схемой, показанной на рис. 4.3, б. Этим процессом будет определяться длительность второй квазиравновесной стадии периода колебаний T ₂:

.

После этого в схеме вновь наступит скачок и переход в первое квазиравновесное состояние. Таким образом, полный период колебаний MB составляет T = T ₁+ T ₂. Если R >> r _вых2, r _вых2 и
U *= E _пит /2, то MB близок к симметричному (T ₁= T ₂) и оценочно можно считать

T = 2 RC ln2 =1,4 RC.

Синхронизированные по времени осциллограммы в характерных точках MB представлены на рис.4.3, в. Необходимо помнить, что входы ЛЭ КМОП защищены охранными диодами VD 1, VD 2 (см. "Приложение", табл. П.1). Именно поэтому напряжение на входе Вх₁ не может быть больше, чем | E _пит + U_D |, и меньше, чем – U_D. Наличие охранных диодов приводит в момент переключения к появлению значительных токов диодов VD 1, VD 2, а также тока выхода ЛЭ D 2, что связано с процессом заряда емкости C. Это увеличивает длительность переднего и заднего фронта импульса на выходе ЛЭ D 2.

Вариант схемы MB на двух ЛЭ КМОП (см. рис. 4.1, б) по принципу работы не отличается от схемы на трех ЛЭ. Здесь роль переключателя уровня, до которого перезаряжается конденсатор C, выполняет ЛЭ D 1. Для исключения значительных токов через охранные диоды в схему MB на двух ЛЭ часто вводят ограничительный резистор R ₁. На рис.4.4, а представлен вариант такой схемы.

Рассмотрим один полупериод колебаний такого мультивиб-ратора (рис. 4.4, а). Пусть в результате "скачка" на выходе ЛЭ D 2 появится перепад напряжения D U _{вых 2} = + E _пит, который через емкость C как через короткозамкнутый элемент будет приложен к точке "а" (рис.4.4, б). Результирующий потенциал в данной точке составит U *+D U _{вых 2} = 1,5 E _пит, что приведет к открыванию охранного диода VD 2 на входе ЛЭ КМОП, и потенциал на входе D 1 не превысит (Е _пит+ U_D) (см. период T ₁' на рис.4.4, г).

 

Рис. 4.4. Электрическая схема мультивибратора на двух ЛЭ КМОП(а); схемы замещения времязадающей цепи для стадий T 1'(б) и T 2'' (в); осциллограммы в характерных точках (г)

 

Начинается квазиравновесная стадия, и в течение времени T ₁' состояние схемы будет определяться процессом перезарядки конденсатора C по пути C — R ₁||(R + r _{вых 1}+ r _{вых 2})» C —(R ₁|| R) в соответствии с эквивалентной схемой рис. 4.4, б. В процессе перезарядки потенциал точки "а" понижается, и при U _вх1< (E _пит + U_D) диод VD 2 закрывается. Перезарядка конденсатора будет проис-ходить теперь по пути C — (R + r _{вых 1}+ r _{вых 2})» C — R (рис. 4.4, в) и определять время квазиравновесного состояния T ₁''.

При уменьшении потенциала на входе D 1 до уровня U * в схеме возникает положительная обратная связь, сопровождающаяся “скачком”. Возникает перепад напряжения на выходе ЛЭ D 2 от U ¹ до U ⁰, и повторяется процесс, качественно подобный описанному выше, – квазиравновесная стадия T ₂. Читателю предлагается самому нарисовать эквивалентную схему замещения для расчета периодов T ₂' и T ₂''.

В соответствии с осциллограммами рис.4.4, г можно записать

, ,

где ,

, .

Аналогично:

, , .

Полный период колебаний MB составит T = T ₁'+ T ₁''+ T ₂'+ T ₂''. Величина резистора R ₁ выбирается обычно в пределах 0,2 R < R ₁<3 R..

На логических элементах ТТЛ также можно построить мультивибраторы по схемам рис.4.1, однако, необходимо учитывать особенности ЛЭ ТТЛ (см."Приложение”):

— напряжение U * для серии K155 составляет 2 U _БЭ»1,4 В при
E _пит =5 В, U ¹=3,6 В, а U ⁰=0,2 В;

— входная характеристика ТТЛ ЛЭ представлена на рис. П.1, и при U _вх = U _вх ⁰ существует значительный (до 1 мА) вытекающий ток. Это ограничивает максимальную величину резистора R, включенного последовательно со входом, до величины 1 кОм;

— при U _вх > U * входной ток мал, и им можно пренебречь;

— охранный диод на входе ограничивает появление только отрицательных перенапряжений.

Рис. 4. 5. Осциллограмма переходных процессов в мультивибраторе на ТТЛ на эмиттерном входе ЛЭ D 1 (см.рис.4.1)

Характерная осцилло-грамма на входе ЛЭ D 1 мультивибратора представ-лена на рис. 4.5. В течение длительности квазиравно-весной стадии T ₁, когда U _вх1< U * (рис. 4.6, а) заряд конденсатора C происхо-дит не только через резис-тор R, но входным вытека-ющим током ТТЛ:

I_C = I_R + I _вх.

Соответственно длительность периода T ₁ можно рассчитать, воспользовавшись эквивалентным генератором Е _экв, R _экв:

,

где , R _экв = R || R _Б + r_вых⁰.

Рис. 4.6. Эквивалентные схемы входной цепи при расчете стадий T 1 (а) и Т 2 '(б)

 

При расчете длительности квазиравновесной стадии T ₂', когда U _вх1> U * (рис.4.6, б) входным током ЛЭ можно пренебречь (I _вх =0). Заряд конденсатора происходит только через резистор R. Соот-ветственно, длительность стадии T ₂' составляет

.

Наконец, при 1,4 В< U _вх1<1,7 В существенно изменяется вход-ной ток ТТЛ ЛЭ (стадия T ₂ '' на рис.4.5). Соответственно уменьшается ток заряда и скорость изменения напряжения на конденсаторе C:

I_C = I_R + I _вх,

.

Поскольку входная характеристика в этой области существенно нелинейна (рис.П.1), то точный расчет длительности T ₂ '' требует использования численных методов и здесь не проводится. Данный процесс особенно заметен при повышенных значениях резистора R, и может занимать существенную часть периода T ₂. Это вносит заметную погрешность в определение длительности данной стадии. Малая скорость изменения напряжения при прохождении уровня U * приводит к уменьшению стабильности частоты генерируемых колебаний. Сопоставление длительностей T ₁ и T ₂ показывает, что MB на ТТЛ с одним времязадающим конденсатором является несимметричным.

 

Описание установки

 

Для исследования схем MB на КМОП используется стенд, аналогичный используемому при исследовании ЖМВ (Лаб. работа № 3). При исследовании MB на ТТЛ используется стенд УМ‑13 с навесными резистивными и емкостными элементами и ЛЭ К155ЛА3.

 

Задание

1. Собрать схему MB. Тип ЛЭ и конфигурацию схемы задает преподаватель.

2. Проанализировать осциллограммы в характерных точках схемы. Оценить периоды T ₁ и T ₂, сравнить с расчетными.

3. Снять зависимость периода колебаний от величины резистора R и емкости C.

4. В одном из режимов оценить длительности положительных и отрицательных фронтов импульсов на выходах MB.

 

Библиографический список

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – С. 585 – 592.

2. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М.: Радио и связь, 1981.

3. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991. – С. 80 – 111.

 

Лабораторная работа № 5